eksa (gr. ex - sześd) E trylion peta (gr. penta - pięd) P biliard

Transkrypt

1 RTG

2

3 eksa (gr. ex - sześd) E trylion peta (gr. penta - pięd) P biliard

4

5 Historia odkrycia promieni X 5 maja 1894r., 49-cio letni Wilhelm Conrad Röntgen, zamówił lampę wyładowczą i aparaturę zasilającą od firmy Mueller-Unkel. Jednocześnie wysłał pocztówkę do swojego młodszego kolegi, niemieckiego fizyka Philipa Lenarda ( ), pytając go z jakiego wiarygodnego źródła mógłby otrzymad płytkę okna wyjściowego (window plate). Promienie katodowe mogą byd emitowane z komory wyładowczej i po przepuszczeniu przez okno Lenarda mogłyby byd dostępne do badao. Lenard odpowiedział, że on nie zna żadnego wiarygodnego źródła, ale mógłby wysład dwie płytki o grubości mm ze swojego skromnego zapasu. Lenard prowadził właśnie ważne badania nad promieniami katodowymi pod kierunkiem Heinricha Hertza ( ).

6 Roentgen, jak wielu innych fizyków w tym czasie, chciał się zaangażowad w badania nad zjawiskiem promieniowania katodowego i zjawiskiem "dziwnego" świecenia lampy wyładowczej. Początkowo wykonał tylko kilka eksperymentów, ponieważ w tym samym czasie przejął obowiązki kierownika katedry w Uniwersytetu w Würzburguna (rok akademicki 1894/95). Jesienią 1895r. Roentgen mógł wreszcie całkowicie poświęcid się swoim badaniom nad promieniami katodowymi. Do przeprowadzenia eksperymentu wykorzystał lampę wyładowczą, cewkę indukcyjną, przerywacz, baterię elektryczną oraz pompę próżniową.

7 Eksperyment został przeprowadzony według następującego planu: W szklanej lampie próżniowej zostało wytworzone pomiędzy anodą i katodą pole elektryczne. Gdy tylko pole elektryczne osiągnęło odpowiednio dużą wartośd elektrony opuszczały katodę i poruszając się w próżni uderzały w anodę powodując rozładowanie elektrod. Pole elektryczne wytworzono za pomocą cewki indukcyjnej (transformatora), której uzwojenie wtórne miało zwojów z cienkiego, a uzwojenie pierwotne kilkaset zwojów z grubego przewodu. Cewka ta była przystosowana do wytworzenia po stronie wtórnej napięcia o wartości kv. Napięcie to doprowadzano do anody i katody lampy.

8 Cewka była zasilana z baterii o napięciu 32 V. Prąd uzwojenia pierwotnego (ok. 20A) przerywany był razy na sekundę za pomocą przerywacza, o platynowych kontaktach, wynalezionego przez Deprez'a. Kluczowym elementem eksperymentu była szklana rura, w której wytworzono próżnię, o wartośd ciśnienia 0.01Torra (mmhg), za pomocą, wynalezionej kilka lat wcześniej przez A.Rapsa, pompy rtęciowej. Osiągnięcie takiej próżni zajmowało od kilku godzin do kilku dni.

9 Późnym wieczorem 8 listopada 1895, w ciemnym pokoju, podczas eksperymentu Roentgen zauważył słaby snop światła w pobliżu lampy wyładowczej. Światło pochodziło od kawałka papieru fluorescencyjnego leżącego w pobliżu lampy. W tym czasie takiego papieru, pokrytego warstwą platynocyjanku baru (barium platinocyanide), używano do detekcji promieniowania ultrafioletowego. Początkowo, Roentgen sądził, że promienie pochodzą z wnętrza lampy.

10 Jednak, fluorescencja nie zanikła nawet wtedy, gdy lampa została zakryta czarnym papierem. Ta obserwacja nie mogła byd wyjaśniona żadnym znanym prawem fizycznym. Obudziło to drzemiący w Roentgenie talent eksperymentalny i analityczny. W kolejnych eksperymentach Roentgen umieszczał pomiędzy lampą i ekranem różne obiekty, takie jak: karty do gry, książki, kawałki drewna, przedmioty metalowe, a także własną dłoo. O swoim ekscytującym odkryciu Roentgen poinformował żonę Bertę i przyjaciela, Teodora Boveri.

11 Kilka lat później, zimą 1911/12, podczas lunchu w Davos z fizykiem Friedrichem Dornem i Heinrichem Franke Berta Roentgen na pytanie Franke'a jak jej mąż był zdolny przeprowadzid tak wyczerpujące badania, dotyczące właściwości i znaczenia swojego odkrycia, w tak krótkim czasie, powiedziała, że nie może odpowiedzied, ponieważ w tych pierwszych dniach w ogóle go nie widywała, tak był zaabsorbowany pracą. "On nie tylko zabrał jedzenie do swojej pracowni, on nawet zainstalował tam na dłuższy czas łóżko, aby żadne czynności życiowe nie przeszkadzały mu w badaniach i aby zaraz po przebudzeniu mógł do nich wrócid?. Do obserwacji słabego światła fluorescencyjnego Roentgen potrzebował absolutnej ciemności pracował głównie nocą, co było o tyle łatwe, że rodzina Roentgena mieszkała na najwyższej kondygnacji budynku instytutu bezpośrednio nad laboratorium.

12 Ludwig Zahnder ( ), kolega i przyjaciel Roentgena wspominał, że Roentgen poprosił fizjologa, Adolfa Fick'a, o uczestnictwo w eksperymencie. Z kolei, Adolf Fick powiedział o tym eksperymencie swojemu synowi, Rudolfowi, który natychmiast zauważył znaczenie odkrytego zjawiska dla medycyny a w szczególności dla chirurgii. Kiedy Roentgen odkrył wpływ promieniowania - promieni X jak je nazywał - na płytki fotograficzne, wykonał fotogramy kilku obiektów, włączając w to swoją dłoo.

13 28 grudnia 1895, około 7 tygodni po odkryciu, Roentgen absolutnie pewny swych obserwacji przekazał manuskrypt z opisem odkrycia sekretarzowi Towarzystwu Fizyki Medycznej (The Physical Medical Society) w Würzburgu. Ze względu na znaczenie manuskrypt został wydrukowany bez żadnych dodatkowych dyskusji. Ten sensacyjny artykuł, "Ueber eine neue Art. Von Strahlen. Vorläufige Mitteilung" (Nowy rodzaj promieniowania. Raport wstępny), został opublikowany jeszcze w 1895r. 1 stycznia 1896 Roentgen wysłał reprint swojego 11-sto stronicowego raportu z kopią radiogramu dłoni swojej żony i kilku innych obiektów do swoich kolegów w kraju i za granicą.

14 W raporcie tym Roentgen wymienił wiele charakterystycznych cech promieni X w kolejności ich znaczenia: Transmisja promieni X przez różne materiały o tej samej grubości zależy głównie od ich gęstości, Wraz ze wzrostem grubości materiału transmisja promieni maleje, Płytki fotograficzne są czułe na promienie X, W przeciwieostwie do promieni katodowych promienie X nie ulegają ugięciu w polu magnetycznym, Promienie X powstają w miejscu gdzie promienie katodowe trafiają w szklaną ścianę, Generacja promieniowania zachodzi nie tylko w szkle, ale również w aluminium, Nowe promieniowanie jest prawdopodobnie falą podłużną.

15 Roentgen w swoim wstępnym raporcie napisał: "Kiedy wkłada się dłoo pomiędzy lampę wyładowczą, a ekran można zobaczyd ciemne zarysy kości i jaśniejsze zarysy samej dłoni". Ta obserwacja zapoczątkowała znaczący udział techniki w medycynie. Ze wszystkich zasad i metod wizualnej diagnostyki w medycynie, odkrycie promieni X ma najdonioślejsze znaczenie. Technologia rentgenowska, ciągle się rozwijająca, znalazła wiele zastosowao zarówno w diagnostyce jak i w terapii. W. C. Roentgen ( )

16

17

18

19 Radiografia konwencjonalna, tą nazwą określanych jest wiele metod obrazowania w których wymagana jest ekspozycja pacjenta na promieniowanie X. Otrzymywany obraz jest "cieniem" pacjenta, który pochłania częściowo lub całkowicie promieniowanie generowane przez lampę rtg. Obraz uzyskiwany jest za pomocą kliszy fotoczułej, cyfrowej płyty obrazującej lub metody fluoroskopowej. Otrzymywany obraz jest negatywem obiektu, tzn. obszary białe (mniej zaciemnione) odpowiadają obszarom pacjenta, które całkowicie pochłaniają promieniowanie.

20 Fluoroskopia jest techniką tworzenia "żywych" obrazów otrzymywanych z żywego pacjenta. Promieniowanie przechodzące przez pacjenta trafia na ekran fluorescencyjny, który stanowi częśd urządzenia określanego jako wzmacniacz obrazu. Wzmacniacz obrazu z kolei sprzężony jest z kamerą telewizyjną. Radiolog ma zatem możliwośd oglądania obrazu "na żywo" na ekranie telewizyjnym. Technika ta często jest używana do badania układu pokarmowego.

21 Angiografia jest techniką do badania układu krążenia. W tym celu do układu krążenia, za pomocą specjalnych cewników, wstrzykuje się substancję dobrze pochłaniającą promieniowanie X. Substancję tę określa się jako kontrastową lub w skrócie "kontrast". W rezultacie, miejsca badanego pacjenta, do których dotarł kontrast na otrzymywanym obrazie będą jaśniejsze od pozostałych. Technika ta jest szczególnie przydatna do oceny przewężeo tętniczych (stenoz) np. podczas badania serca (wówczas określana jest jako koronarografia). W technice tej po wstrzyknięciu kontrastu do odpowiedniej tętnicy wieocowej dokonuje się seryjnej (filmuje się) rejestracji, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie czasowej zależności rozchodzenia się kontrastu, oraz określenie miejsc do których kontrast nie dochodzi. Dalszym rozwinięciem technik radiologicznych jest tomografia komputerowa.

22 Wybrane problemy generacji promieni X Istota promieniowania rentgenowskiego jest taka sama jak innych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego, np. fal radiowych (radio, TV, telefon komórkowy), mikrofal czy też światła. Promieniowanie X należy do kategorii promieniowania jonizacyjnego, co oznacza, że w odróżnieniu od innych rodzajów, oddziałując z materią jonizuje ją (wytwarza jony materii wybijając z powłok atomów elektrony). Oznacza to, że promieniowanie to, zgodnie z zasadą zachowania energii, musi charakteryzować się odpowiednią energią. Promieniowanie X można wytwarzać w wyniku bombardowania rozpędzonymi ładunkami (np. elektronami) tarczy. W rezultacie powstają dwa rodzaje promieniowania określane jako: ciągłe (promieniowanie hamowania) i charakterystyczne. Wytwarzanie promieniowanie rentgenowskiego związane jest z konwersją energii, w tym wypadku energii kinetycznej elektronu na energię promieniowania.

23 Metody detekcji promieniowania X Radiografia projekcyjna nie mogłaby byd tak znaczącym narzędziem diagnostycznym bez użycia ekranów wzmacniających. Wiązka promieniowania przechodząc przez badany obiekt ulega rozproszeniu (promieniowanie wtórne) i absorpcji w rezultacie czego tylko około 1 do 4% promieniowania pierwotnego dociera do detektora, najczęściej przechodząc po drodze przez kratkę przeciwrozproszeniową. Kratka przeciw-rozproszeniowa znajdująca się pomiędzy detektorem a badanym obiektem zapobiega przedostawaniu się do detektora promieniowania rozproszonego.

24 Promieniowanie dochodzące do detektora zawiera fotony niewidzialne dla ludzkiego oka, dlatego zadaniem detektora jest zamiana promieniowania niewidzialnego na widzialne. Jednakże, czułośd klisz bezpośrednio na promieniowanie X jest bardzo mała. Stosowanie tylko klisz do detekcji zmuszałoby do aplikacji dużych dawek promieniowania. Z tego powody do detekcji promieniowania stosuje się ekrany luminescencyjne. Luminescencja, z radiologicznego punktu widzenia, to zdolnośd substancji do emisji światła w odpowiedzi na promieniowanie X. Zjawisko to składa się z dwóch efektów: fluorescencji i fosforescencji.

25 Uważa się, że dany materiał fluoryzuje gdy emisja światła zaczyna się wraz z pobudzającym promieniowaniem i także wraz z nim kooczy się (opóźnienie rzędu 10-8 sek.). Pierwszym materiałem fluorescencyjnym używanym w radiologii był wolframian wapnia (CaWO 4 ). Fosforescencja oznacza zjawisko przedłużonej emisji światła już po zakooczeniu promieniowania wzbudzającego. Za materiały fosforescencyjne uważa się te, które w odpowiedzi na promieniowanie wzbudzające maksimum emisji osiągają po czasie dłuższym niż 10-8 s i emitują światło także przez czas dłuższy niż 10-8 s po zakooczeniu promieniowania wzbudzającego.

26 Zjawisko to, w typowych zastosowaniach, jest niepożądane jako, że może prowadzid do wielokrotnego obrazowania oraz do efektu "zamglenia" obrazu. Ekstremalnym przypadkiem fosforescencji jest magazynowanie energii bez jakiejkolwiek emisji światła widzialnego. Ta zmagazynowana energia ulega wyzwoleniu dopiero po życiu dodatkowego doprowadzenia energii, np. w postaci światła laserowego. Zjawisko to jest określane jako luminescencja fotostymulowana i jest używane w radiografii cyfrowej. W radiologii używa się kaset z podwójnymi (techniki konwencjonalne) i pojedynczymi ekranami wzmacniającymi (mammografia) oraz płyt fotostymulowanych w radiologii cyfrowej.

27 Detektor analogowy W celu zwiększenia prawdopodobieostwa detekcji fotonów promieniowania rentgenowskiego używa się ekranów wzmacniających. Ekrany takie są plastykowe i pokryte z jednej strony proszkami scyntylacyjnymi, które zawierają pierwiastki o wysokiej wartości Z (np. wolframian wapnia CaWO 4 ). Kaseta zbudowana jest z dwóch takich ekranów złożonych warstwą scyntylacyjną do środka. Pomiędzy takimi ekranami umieszcza się film o dwustronnej emulsji. Zastosowanie scyntylacyjnych ekranów umożliwia redukcję dawek promieniowania od 20 do 100 razy, w zależności od typu ekranu.

28 Baza odpowiada za mechaniczne właściwości ekranu i na niej nanoszone są pozostałe warstwy. Światło w warstwie fosforu emitowane jest we wszystkich kierunkach. Około 50 % z tego promieniowania nie dociera do kliszy. Warstwa odbijająca ma za zadanie skierowad promieniowanie świetlne w kierunku kliszy. Podwyższa to czułośd zestawu klisza/ekran, a zatem prowadzi do zmniejszenia dawki promieniowania pochłoniętego przez pacjenta. Wadą takiego rozwiązania jest pogorszenie ostrości otrzymywanych obrazów. W przypadku zastosowania warstwy pochłaniającej, czułośd zestawu ekran/klisza ulega zmniejszeniu ale poprawia się ostrośd otrzymywanych obrazów.

29 Warstwa fosforu zbudowana jest z kryształów fosforu i materiału wiążącego. Równomierna gęstośd kryształów fosforu jest podstawowym parametrem dla ekranu, bowiem w przeciwnym przypadku prowadzi to do nierównomiernej ekspozycji kliszy. Każdy kryształ fosforu otoczony jest materiałem wiążącym i stosunek objętości kryształów fosforu do całkowitej objętości warstwy określany jest jako waga wiązania (coating weight) i jest wyznaczany w procesie produkcyjnym. Rys. Budowa kasety

30 Warstwa o wyższej wartości tego współczynnika oznacza większą zawartośd kryształów fosforu na jednostkę objętości, dzięki czemu warstwa fosforu może byd cieosza, a zatem otrzymywane obrazy będą charakteryzowały się większą ostrością niż w przypadku zestawu ekran/klisza o tej samej czułości ale mniejszej wartości współczynnika waga pokrycia. Inny czynnik decydujący o jakości ekranu to ciężar właściwy fosforu. Teoretycznie im większa wartośd ciężaru właściwego tym cieosza grubośd warstwy fosforowej. Rys. Szczegółowa budowa ekranu

31 W praktyce istotniejsza w określeniu grubości ekranu jest relacja pomiędzy fosforem a materiałem wiążącym. Dla ekranów uniwersalnych przyjmuje się w przybliżeniu 9 części fosforu na jedną częśd materiału wiążącego. Warstwa ochronna, najczęściej polimerowa, zabezpiecza warstwę fosforową przed mechanicznymi uszkodzeniami. Pozwala to na czyszczenie ekranu bez obawy uszkodzenia warstwy fosforowej. Innym zadaniem tej warstwy jest zapobieganie powstawaniu pęcherzy powietrza pomiędzy warstwą fosforu, a kliszą.

32 W rzeczywistości budowa kasety jest bardziej złożona (rys.). W celu zapewnienia równomiernego docisku kliszy do ekranów stosuje się płytę magnetyczną i stalową. Rys. Sposób zapewnienia docisku ekranów do kliszy

33 Płyta magnetyczna wykonana jest z materiału na bazie gumy. Zastosowanie folii stalowej (od strony lampy) oraz warstwy magnetycznej (od spodu kasety) gwarantuje szybki i pewny, równomiernie rozłożony na całej powierzchni docisk ekranów do kliszy. Dzięki temu minimalizuje się wpływ nierównomiernego docisku na ostrośd obrazu. Nowe materiały używane do konstrukcji ekranów zwiększają ich efektywnośd dzięki większej wartości współczynnika absorpcji. Współczynnik absorpcji ekranów zbudowanych w oparciu o CaWO 4 i Gd 2 O 2 S Tleno-siarczek gadolinu (Gd 2 O 2 S) wolframian wapnia CaWO 4

34 Prze wiele lat do budowy ekranów używano wolframianu wapnia (CaWO 4 ) z tego względu, że emituje on światło w obszarze koloru niebieskiego i ultrafioletu w których to obszarach także halogenek srebra (AgBr) charakteryzuje się wysoką czułością. Rozwój technologii pozwala na stosowanie nowych materiałów, charakteryzujących się większą czułością, np. tleno-siarczku gadolinu (Gd 2 O 2 S). Efektywnośd konwersji jest czynnikiem determinującym użycie ekranów wzmacniających w radiografii.

35 Efektywnośd z jaką fosfor zamienia promieniowanie X na promieniowanie świetlne określany jest jako współczynnik efektywności konwersji. Efektywnośd konwersji wolframianu wapnia (CaWO 4 ) wynosi około 5 %. W przypadku zastosowania pary ekranów efektywnośd ta wzrasta i może wynosid do 20 % dla ekranów o małej czułości i do 40 % dla ekranów o wysokiej czułości. Ekrany zbudowane w oparciu o metale ziem rzadkich charakteryzują się większą czułością aż do 60 %. Efektywnośd ekranu to umiejętnośd emisji światła przez warstwę fosforu i efektywnośd ekspozycji kliszy. Dla typowych ekranów tylko połowa z emitowanego światła dociera do kliszy, reszta jest pochłaniana przez ekran. Efektywnośd ekranu (lub czułośd) jest iloczynem absorpcji S A, konwersji S K i emisji S E.

36 Do czynników determinujących czułośd zestawu ekran/klisza należy zaliczyd typ fosforu (efektywnośd konwersji), grubośd warstwy fosforu, wartośd współczynnika wagi pokrycia, obecnośd warstwy odbiciowej/pochłaniającej, obecnośd czynnika pochłaniającego promieniowanie świetlne w materiale wiążącym kryształy fosforu i w warstwie ochronnej oraz rozmiar ziarna (kryształów) fosforu. Typ warstwy fosforu w znaczący sposób decyduje o czułości zestawu ekran/klisza i ekrany wykonane z pierwiastków ziem rzadkich charakteryzują się większą czułością niż z wolframianu wapnia. Grubsza warstwa fosforu poprawia czułośd zestawu ekran/klisza w wyniku zwiększonej absorpcji promieniowania X. Z drugiej strony zwiększona grubośd tej warstwy prowadzi do zmniejszonej ostrości obrazów, przede wszystkim w wyniku dyfuzji światła w tej warstwie. Nie bez znaczenia jest także zjawisko rozpraszania światła w warstwie fosforu. Wpływ grubości warstwy fosforu na wielkośd naświetlonej emulsji.

37 Modulation Transfer Function Promieniowanie wychodzące z lampy rentgenowskiej poprzez zestaw filtrów przechodząc przez ciało badanej osoby, ulega rozproszeniu i osłabieniu po czym dociera do detektora. Informacja, interesująca dla obserwatora, zawarta jest w natężeniu promieniowania. Zostaje ona przetworzona w układzie obrazowania na obraz widzialny, co umożliwia obserwatorowi (lekarzowi) przeprowadzenie dalszych analiz. W diagnostyce rentgenowskiej istnieje szereg systemów obrazowania, których jakośd możemy ocenid za pomocą tych samych narzędzi. Do obiektywnego porównania jakości różnych systemów obrazowania potrzebne są metody oraz wielkości metrologiczne lub obliczeniowe pozwalające na takie porównanie. W celu porównania jakości różnych systemów obrazowania, bez wchodzenia w szczegóły ich konstrukcji wykorzystuje się zaczerpniętą z teorii komunikacji definicję transmitancji sygnału

38 Sposób charakteryzacji systemu obrazowania Jeżeli na wejście podamy odpowiedni sygnał, w przypadku obrazowania wzorcowy obiekt, to na wyjściu dostaniemy jego obraz. Porównując, w odpowiedni sposób, obraz z obiektem jesteśmy w stanie określid charakterystykę systemu obrazowania. W tym celu należy dobrad obiekty tak, aby informacja o systemie obrazowania była jak najpełniejsza. Takimi obiektami są: obraz punktowy, obraz liniowy i skokowy (krawędziowy) (są to analogi do takich pojęd jak delta Dirac'a, uskok jednostkowy stosowanych w teorii obwodów). W odpowiedzi na obiekt punktowy dostajemy obraz, który określony jest jako punktowa funkcja rozproszenia PSF (Point Spread Function). Analogicznie, w przypadku obiektu w postaci linii dostajemy obraz określony jako LSF (Line Spread Function). Jak zostanie to pokazane dalej istniej związek pomiędzy PSF a LSF oraz właściwościami systemu obrazującego oraz inną funkcją wykorzystywaną do oceny systemów obrazowania, MTF (Modulation Transfer Function). Funkcja ta określana jest na podstawie znajomości sygnału wejściowego i wyjściowego w dziedzinie częstotliwości przestrzennych.

39 Aplikacja takiego podejścia do oceny systemów radiologicznych wymaga uzasadnienia oraz sprawdzenia czy spełnione są pewne dodatkowe wymagania, takie jak liniowośd systemu oraz dodatkowo, w przypadku systemów obrazujących niezależnośd parametrów obrazu od położenia obiektu w przestrzeni (izoplanarnośd). Najpowszechniej używane detektory promieniowania rentgenowskiego w medycynie to zestaw ekranklisza. Klisza (może byd z dwustronną emulsją) w takich zestawach znajduje się w kontakcie z obejmującymi ją dwoma ekranami fluoroscencyjnymi. Grubośd warstwy luminoforu (ekranów) typowo wynosi 100 m m a grubośd każdej emulsji 10 m m. Grubośd materiału bazowego kliszy wynosi około 180 m m.

40 Odpowiedź takiego zestawu klisza-ekran jest nieliniowa jeżeli rozpatruje się charakterystykę gęstości optycznej kliszy (zobacz podrozdział detekcja w mammografii). Okazuje się jednak, ze system można rozpatrywad jako liniowy, jeżeli weźmie się pod uwagę efektywną ekspozycję lub natężenia oświetlenia w emulsji. Przeprowadzono szereg badao polegających na jednoczesnej ekspozycji dwóch szczelin za pomocą różnych dawek i stwierdzono, że rozkład stosunku efektywnego natężenie oświetlenia w filmie był zachowany i równy stosunkowi ekspozycji oraz nie zależał od odległości od środka linii obrazu. Na tej podstawie przyjęto, ze zestaw ekran-klisza zachowuje się liniowo.

41 Warunek izoplanarności wymaga, aby PSF była niezależna od kąta padania promieni rentgenowskich na zestaw ekran-klisza. Warunek ten nie jest spełniony, ponieważ promienie X padające ukośne wywołują wzrost efektywnej grubości ekranu oraz boczne przesunięcie obrazu. Mimo to uważa się, że w rzeczywistych systemach obrazowania wpływ tego zjawiska na PSF można pominąd, co wynika z bardzo dużej odległośd zestawu ekran-klisza od ogniska w odniesieniu do grubości zestawu. Oprócz tego, że zestawy ekran-klisza są liniowe izoplanarne powinny byd także izotropowe. Warunek ten jest spełniony zarówno dla zestawów ekran-klisza jak i wzmacniaczy obrazu. W przypadku klisz pokrytych emulsją dwustronnie należy pamiętad, że proces formowania obrazu jest różny w stosunku do systemów optycznych. Obraz radiograficzny jest cieniem obiektu trójwymiarowego. Promieniowanie rozchodzi się ze źródła o skooczonych rozmiarach. W rezultacie powoduje to zarówno nieostrośd geometryczną i powiększenie obrazu w odniesieniu do obiektu.

42 W tych warunkach wygodnie jest zdefiniowad płaszczyznę obiektu jako płaszczyznę przylegającą do płaszczyzny ekranu od strony lampy rentgenowskiej. Ponadto, jako sygnał wejściowy potraktowad rozkład natężenia promieniowania. Z tego względu wzmocnienie i geometryczna nieostrośd zostają oddzielone od charakterystyki zestawu ekran-klisza i mogą byd opisane przez osobną funkcję opisującą jakośd systemu. Z tego względu LSF (Line Spread Function) określana jest np. za pomocą 10 m m szczeliny uformowanej przez materiał pochłaniający promieniowanie o odpowiedniej grubości (np m m). Zestaw ekran-klisza podlegający badaniu zostaje umieszczony w bezpośrednim kontakcie ze szczeliną. Należy pamiętad, że w przypadku kliszy z dwustronną emulsją definicja płaszczyzny obrazu nie może byd jednoznaczna, jako, że na obraz składają się wszystkie elementy. Mając określoną, tzn. pomierzoną za pomocą densytometru, LSF określa się PSF oraz za pomocą transformacji Fouriera MTF.

43 Obraz punktowy Idealny system obrazowania powinien odwzorowywad rozkład natężenia promieniowania jednakowo w całej płaszczyźnie obrazu. Zatem punktowy obiekt powinien prowadzid do punktowego obrazu. Elektryczne i optyczne niedoskonałości systemów rzeczywistych prowadzą do "rozmytego" obrazu, co wynika z rozmycia energii wokół punktu obrazowego i przez to do obrazu nieostrego. Funkcja rozproszenia punktowego PSF (Point Spread Function) jest miarą tej nieostrości (rys. 6). W ogólnym przypadku może ona byd niesymetryczna osiowo (anizotropia). W sytuacji gdy jest ona osiowo symetryczna (tzn. nie zależy od kąta) mówimy, że system jest izotropowy (jego właściwości nie zależą od kierunku)

44 Punktowa funkcja rozproszenia (PSF), b), jest obrazem jednostkowego źródła punktowego a). Analiza właściwości systemów obrazowania jest znacznie ułatwiona gdy założy się, że są one liniowe i ich właściwości nie zależą od położenia przestrzennego. W rzeczywistości założenia te nie muszą byd spełnione.

45 Detektory cyfrowe Wkrótce cyfrowe systemy projekcyjnej radiografii zastąpią technikę konwencjonalną opartą na kliszach rentgenowskich. W porównaniu do technik konwencjonalnych posiadają one możliwośd przetwarzania obrazów na każdym poziomie, począwszy od etapu zbierania danych, poprzez etap przetwarzania danych, a na etapie prezentacji skooczywszy. W przeciwieostwie do techniki konwencjonalnej, gdzie film stanowi zarówno medium zbierania danych, prezentacji i archiwizacji. Detektory cyfrowe służą przede wszystkim jako medium do zbierania danych.

46 Podstawowym parametrem charakteryzującym detektory cyfrowe jest rozmiar matrycy, kwantowa efektywnośd detekcji (DQE- Detective Quantum Efficiency) i funkcja przenoszenia (MTF- Modulation Transfer Function). Rozmiar matrycy opisuje liczbę elementów obrazu (pikseli) w kierunku pionowymi poziomym. Rozmiar piksela zawarty jest w przedziale 0.1 do 0.2 mm w większości cyfrowych systemów radiologicznych. Rozmiar pikseli bezpośrednio determinuje rozdzielczośd przestrzenną. Przestrzenna rozdzielczośd definiowana jest jako możliwośd rozróżnienia liczby linii rozmieszczonych równolegle na długości 1 mm. (1/mm) i jest mierzona za pomocą fantomów zbudowanych z ołowiu, zatem z materiału pozwalającego osiągnąd duży kontrast. Maksymalna gęstośd linii jaka teoretycznie może byd rozróżniona określona jest przez częstotliwośd Nyquist'a. Dla rozmiaru piksela 0.2 mm maksymalna rozdzielczośd wynosi 2.5 (1/mm)a dla piksela 0.1 mm 5 (1/mm).

47 Kwantowa efektywnośd detekcji opisuje efektywnośd systemu do przetwarzania kwantów promieniowania na informację zawartą w obrazie. Idealny detektor wykazuje wartośd DQE na poziomie 100% (tzn. 100 % padających kwantów jest wykrywanych). Ograniczona absorpcja promieniowania rentgenowskiego w detektorze pozwala osiągnąd wartośd DQE na poziomie od 30 do 60 %. Ponadto całkowite szumy systemów pomiarowych w dalszym stopniu pogarszają ten współczynnik. Szumy te składają się szumów układu elektronicznego wzmacniającego sygnał, z szumów układu próbkującego i przetwornika A/C. Wartośd wskaźnika DQE świadczy o minimalnej dawce potrzebnej do otrzymania obrazu. Im większa wartośd współczynnika DQE tym mniejsza dawka potrzebna do uzyskania obrazu przy założonym współczynniku SNR lub kontraście.

48 Funkcja przenoszenia charakteryzuje rozdzielczośd przestrzenną systemu obrazowania. Opisuje ona w jaki sposób odtwarzane są w obrazie szczegóły obiektu w funkcji częstotliwości przestrzennej. Im mniejszy jest kontrast wybranego szczegółu w obrazie tym większą wartośd powinna mied funkcja przenoszenia w celu poprawnego odwzorowania go w obrazie. Większośd detektorów cyfrowych, w odróżnieniu od technik konwencjonalnych, charakteryzuje się mniejszą wartością MTF, szczególnie dla zakresu wyższych częstotliwości przestrzennych.(>2 linie/mm). Niemniej jednak, MTF jest wartością stałą dla danego typu kasety filmowej w technice konwencjonalnej, podczas gdy w technice cyfrowej może byd modyfikowany. Przykładowo, odpowiednia obróbka sygnału (filtracja) pozwala znacznie poprawid wartośd MTF. Dobierając odpowiednio sposób obróbki wynikowa wartośd MTF może znacznie przewyższyd wartości uzyskiwane za pomocą techniki konwencjonalnej.

49 Radiografia fosforowa (Storage Phosphor Radiography) została wprowadzona do praktyki klinicznej w latach 80-tych. Technika ta, podobnie jak konwencjonalna, wykorzystuje kasety, stąd też jest kompatybilna z technikami konwencjonalnymi. Zamiast zestawu kaseta-film technika ta wykorzystuje foto-czułe ekrany fosforowe jako receptory (detektory) obrazu. Chemicznie, ekran jest podobny konwencjonalnych wzmacniaczy obrazu i prezentuje także podobne właściwości. Podobnie jak we wzmacniaczach obrazu promieniowanie wzbudza elektrony i znaczna większośd tych elektronów jest uwalnia energię w postaci światła widzialnego. Częśd elektronów w ekranach fosforowych jest wychwytywana z jednoczesnym zachowaniem poziomu energetycznego. Pozostają one w takim stanie do momentu aż energia zostanie uwolniona w wyniku ekspozycji w świetle o długości dłuższej niż charakterystyczna długośd światła emitowana przez fosfor. Uwalniane elektrony, ze stanu meta-stabilnego, emitują światło, które odbierane jest np. przez fotopowielacz.

50 Do procesu "odczytywania" używa się lasera o wiązce światła o wymiarach m m. Stymulowana światłem luminescencja proporcjonalna jest do wartości energii zaabsorbowanego promieniowania rentgenowskiego i charakteryzuje się bardzo dużą dynamiką.(>1:40 000). W zastosowaniach medycznych wykorzystywana jest tylko częśd tej dynamiki (1: 40 1: 1000), w zależności od różnic tłumienia obiektów w badanym materiale (tzw. zakres obiektowy). W celu uzyskania odpowiedniego zakresu stosuje się różne metody określane jako techniki normalizacji sygnału. W rezultacie duża dynamika oraz automatyczna optymalizacja gęstości niezależnie od dawki ekspozycji czyni radiografię fosforową bardzo silnym narzędziem radiologicznym. Istotnym problemem jest odpowiednia korekcja wpływu kolimatora w czasie procesu normalizacji. Problem ten jest relatywnie prosty w badaniach klatki piersiowej, natomiast znacznie trudniejszy w badaniach kręgosłupa co wynika z konieczności stosowania różnych ustawieo kolimatora, szczególnie wtedy gdy jedna kaseta używana jest do wielu ekspozycji. W tym celu stosuje się algorytmy automatycznego rozpoznawania.

51 W większości zastosowao wykorzystywana jest matryca o rozmiarze pikseli. W zależności od rozmiaru kasety rozmiar piksela zmienia się od 0.1 mm (18 24cm) do 0.2 mm (35 43 cm). Wprowadzono również matryce o rozmiarze dla obrazów o rozmiarze cm, co redukuje rozmiar piksela do 0.1 mm nawet dla dużych obiektów (np. zdjęcia klatki czy kręgosłupa). Maksymalna częstotliwośd przestrzenna która może byd odwzorowana bez tzw. efektów aliasingowych wynosi zatem 2.5 linii/mm dla pikseli o rozmiarze 0.2 mm i 5 linii/mm dla pikseli o rozmiarze 0.1 mm.

52 Gdy uwzględni się rozmiar matrycy nie zauważa się znacznych różnic dla częstotliwości poniżej 1.8 linii/mm nawet w przypadku gdy stosowana jest kaseta o rozmiarze piksela 0.2 mm. Dla wyższych częstotliwości przestrzennych znacznie lepsze wyniki dają kasety charakteryzujące się rozmiarem piksela 0.1 mm. Należy jednak pamiętad, że możliwe jest zastosowanie odpowiedniego przetwarzania cyfrowego prowadzącego do wzrostu zawartości wyższych częstotliwości w obrazie a tym samym poprawienie jego ostrości.

53 Wartośd współczynnika DQE dla systemów fosforowych jest mniejsza od wartości tego współczynnika dla optymalnie naświetlonych kaset konwencjonalnych. Nowe ekrany fosforowe (np. Fuji) wykazują wartości DQE zbliżone do konwencjonalnych. Starsze ekrany fosforowe wymagają większych dawek przy założeniu takiej samej wartości współczynnika SNR. Obecnie na rynku znajdują się różne ekrany fosforowe charakteryzujące się zarówno efektywnością kwantową jak i charakterystykami szumowymi. Producent ekranów ST-V (Fuji) charakteryzują się mniejszym o 18% poziomem szumów niż ekrany ST-III. Należy jednak podkreślid, że ekrany o poprawionej jakości mogą byd używane tylko wraz z nowymi systemami radiograficznymi (np. AC III lub FCR 9000) które używają laserów o zmienionej czułości i długości fali (680m m).

54 W ostatnio prowadzonych badaniach fantomowych porównano o ile można zmniejszyd dawkę promieniowania przy zachowaniu takich samych parametrów uzyskiwanego obrazu za pomocą ekranu ST-V i ST-III. Wyniki wskazują na redukcję dawki od 1.4do 1.7razy. Podobne wyniki osiągane są za pomocą ekranów produkowanych prze Kodaka czy Agfę. Wielorakie kliniczne badania fantomowe wskazują, że ekrany ST-III wymagają ekspozycji 250speed w celu uzyskania porównywalnych wyników do tych osiąganych za pomocą techniki konwencjonalnej. Wadą nowych rozwiązao jest koniecznośd zakupu nowego sprzętu, bowiem tylko wtedy jest możliwe uzyskanie lepszych wyników. Gdy wykorzystuje się stare systemy przy jednoczesnym wykorzystaniu nowych ekranów współczynnik zmniejszenia dawki wynosi tylko 1.2.

55 Znajdujące się obecnie na rynku systemy selenowe dedykowane są do radiologicznego badania klatki piersiowej (Thoravision, Philips, Hamburg, Niemcy). Nie ma możliwości ich zastosowania w tzw. badaniach przy-łóżkowych. Oprócz badao klatki piersiowej (typowych i bocznych) system może byd stosowany w wybranych badaniach kręgosłupa.

56 Detektor zbudowany jest z warstwy amorficznego selenu o grubości 500m m rozpostartej na sztywnym bębnie o średnicy 50 cm. Selen jest materiałem, który zamienia promieniowanie rentgenowskie bezpośrednio na rozkład ładunku na jego powierzchni. Rozróżnia się trzy etapy tego procesu: 1. Jednorodny, dodatni ładunek elektryczny jest przemieszczony na powierzchnię detektora bliższą do badanego pacjenta. 2. Absorpcja promieniowania X prowadzi do uwolnienia elektronów w warstwie selenu. Elektrony te przemieszczają się w kierunku ładunków dodatnich prowadząc do ich lokalnej neutralizacji. Oznacza to, że ilośd promieniowania opuszczająca pacjenta zamieniana jest na informację zawartą w ładunku powierzchniowym. 3.Gdy bęben obraca się z odpowiednio dużą prędkością 36 sond "odczytuje" rozkład ładunku zamieniając go w informacją cyfrową.

57 Zaletą tego systemu jest fakt transportu uwolnionych elektronów poprzez warstwę selenu bez efektów rozpraszania bez względu na grubośd warstwy selenu. Informacja zawarta w promieniowaniu X zamieniana jest na postad cyfrową przy relatywnie niskim poziomie szumów. W rezultacie wartośd współczynnika DQE jest wysoka (60% przy energii 60 kev).

58 System ma wbudowaną 15 cm przerwę powietrzną mającą na celu osłabienie rozpraszania. Dodatkowo używa się także siatek przeciw rozproszeniowych. Pierwsze badania fantomowe wskazują, że zastosowanie siatki przeciw rozproszeniowej nie poprawia jakości jeżeli użyte jest oprogramowanie mające na celu kompensację niskiego kontrastu i jeżeli nie używa się dodatkowej siatki. Wyniki kliniczne i badania fantomowe wskazuję, że osiągane wyniki są porównywalne do tych otrzymywanych za pomocą systemu konwencjonalnego o czułości klisza-ekran 400 i przy dawkach dla zastosowao ogólnych i lepszych wynikach dla płuc. Rozmiar piksela wynosi 0.2 mm (matryca 2K), zatem teoretyczna rozdzielczośd przestrzenna wynosi 2.5 linii/mm. System może byd łatwo włączony do sieci HIS czy też RIS. Obrazy mogą byd przesłane do środowiska PACS, używającego monitory, lub wydrukowane.

59 Radiografia bezpośrednia Pojęcie radiografia bezpośrednia zarezerwowane jest dla nowej klasy technologii detektorów, które nie wymagają pośrednich kroków do uzyskania informacji z detektora cyfrowego. Bazą dla tych systemów są detektory o dużej powierzchni składające się z fotoprzewodników takich jak amorficzny krzem (np. Cannon, Trxell, europejskie konsorcjum Philips-Siemens-Thompson) lub selenu (Sterling). Warstwa detektora krzemowego zawiera matrycę receptorów, przy czym każdy receptor posiada własną regulację (tranzystor lub dioda) i odpowiada za jeden piksel obrazu.

60 Układy regulujące odpowiadają za proces odczytywania informacji: linia po linii sygnały elektryczne są wzmacniane i przetwarzane na postad cyfrową. Proces odczytywania i przetwarzania jest bardzo szybki i zezwala na dokumentowanie obrazów ruchomych (fluoroskopia). Krzem sam w sobie nie jest czuły wystarczająco na promieniowanie X o energiach używanych w radiologii. Dlatego warstwa krzemu jest pokryta warstwą materiału scyntylacyjnego, np. jodku cezu (CsI) znanego z wykorzystania we wzmacniaczach obrazu. CsI posiada igłową strukturę kryształów, przez co znikają problemy związane z rozpraszaniem, co odróżnia go pozytywnie od systemów klasycznych.

61 Detektor selenowy dla radiografii bezpośredniej także zawiera wiele warstw ukształtowanych w pojemności magazynujące, związane z pikselami. W obydwu systemach rozmiar receptorów definiuje rozmiar piksela. Jeden piksel ma wymiar około 140 m m co określa częstotliwośd przestrzenną na poziomie 31 linii/mm (matryca 3K). Wartośd współczynnika DQE jest porównywalna z wartością współczynnika dla typowej kasety- cienki film jest umocowany na nośniku: każdy piksel związany jest z pojemnością magazynującą, elektrodą i tranzystorem, co wszystko razem tworzy konfigurację "grzyba".

62 Powyżej tej struktury znajduje się warstwa, która przetwarza promieniowanie X na postad elektroniczną. Warstwa ta składa się z 300 m m amorficznego selenu i na powierzchni warstwy dielektryka. Ekspozycja w promieniowaniu X prowadzi do uwolnienia elektronów w warstwie selenu. Elektrony te są transportowane w kierunku anody. Powstające dziury elektronowe w selenie są wypełniane elektronami z kondensatora, który w wyniku tego ładuje się dodatnio. Ten efekt (elektro-dziura) podwaja wybitego elektronu, co w konsekwencji może zezwolid na redukcję dawki. Nowe kasety integrowane są z istniejącymi systemami a zatem możliwe są dostosowania w prześwietleniach klatki i układu kostnego. Nie jest możliwe zastosowanie tego systemu w badaniach przy łóżkowych.

63 Idealny detektor cyfrowy powinien spełniad następujące wymagania: 1) Obraz powinien byd wytwarzany podczas "naświetlania" obiektu (tzn. powinien to byd całkujący detektor powierzchniowy), 2) Odczyt powinien byd natychmiastowy i elektroniczny (tzn. bez konieczności przemieszczania kasety), 3) Jakośd obrazu powinna byd zbliżona do teoretycznych limitów dla wszystkich istotnych parametrów obrazów w zależności od zastosowania. Tzn. powinien charakteryzowad się wysoką efektywnością kwantową pochłaniania (DQE) i nie powinien degradowad jakości obrazu nadmierną zawartością szumów.

64 Schematyczne porównanie różnych typów detektorów promieniowania X stosowanych w medycynie jest na rysunku: Pokazuje przekroje różnych typów sensorów promieniowania X z jednoczesnym określeniem wpływu budowy wewnętrznej na rozdzielczośd przestrzenną. Pierwszy z lewej to detektor zbudowany w oparciu o sproszkowany fosfor, środkowy to detektor o strukturze włóknistej zbudowany z CsI oraz po prawej detektor zbudowany z materiału fotoprzewodnika.

65 Konstrukcja aparatu RTG W najprostszym wykonaniu aparat radiologiczny składa się z generatora wysokiego napięcia, lampy rentgenowskiej, kolimatora, kratki (przesłony przeciw rozproszeniowej), kasety (ekran i klisza). Podstawowe elementy aparatu rentgenowskiego.

66 Schemat blokowy aparatu RTG Podstawowe obwody elektryczne aparatu to obwód żarzenia, obwód lampy oraz układ kontroli czasu. W skład aparatu mogą wchodzid dodatkowe elementy, np. układ automatycznej oceny dawki, itp. Elektryczny schemat blokowy aparatu RTG Generator rentgenowski zawiera układ wyłączania zasilania, autotransformator o zmiennej amplitudzie napięcia wyjściowego, układ pomiaru ekspozycji, transformatora podnoszącego napięcie, prostownika i układu żarzenia (rys.). Medyczne ekspozycje wymagają napięcia rzędu 80 kv (wartośd szczytowa), prądu 300 ma o czasie trwania 0.1 s. Konieczna moc zasilania jest zatem większa od 100 kw.

67 Generator rentgenowski Na początek rozważmy aparat zasilany napięciem jednofazowym z dodatkowym układem prostowniczym. Jak wiadomo, lampa rentgenowska zachowuje się jak dioda i teoretycznie sama mogłaby prostowad zmienne napięcie zasilania. Rozwiązanie takie ma jednak wady (m.in. możliwośd emisji wtórnej), stąd stosuje się dodatkowe układy prostownicze w oparciu o diody półprzewodnikowe. Zasilanie jednofazowe, prostowanie dwupołówkowe, układ elektryczny a) i przebieg napięcia b)

68 W aparatach jednofazowych możliwe jest prostowanie sygnału jedno i dwupołówkowe. W przypadku prostowania dwupołówkowego napięcie doprowadzone do lampy ma postad jak na rys. 2. Napięcie to jest dodatkowe wygładzone przez pojemności kabli doprowadzających. Pojemnośd ta razem z rezystancją lampy decyduje o stałej czasowej obwiedni.

69 Mimo stosowania pojemności napięcie doprowadzane do lampy ma charakter pulsujący. Pulsujący charakter zasilania lampy szereg wad: 1. W czasie gdy napięcie na lampie jest niższe niż wymagane minimalne napięcie do generacji promieniowania X cała energia zawarta w rozpędzonych elektronach zamieniana jest na ciepło. 2. Promieniowanie wytworzone przez elektrony o niskiej energii, jako tzw. promieniowanie miękkie pochłaniane jest w znacznym stopniu przez filtr i pacjenta. Przyczynia się do wzrostu dawki pochłoniętej bez wpływu na jakośd obrazowania. 3. Promieniowanie nie jest ciągłe. 4. Włączenie i wyłączenie lampy wymaga synchronizacji z fazą napięcia zasilającego, tak aby zapobiec możliwym przepięciom.

70 Moc wymagana do pracy aparatu RTG jest duża i typowo aparaty (oprócz niektórych typów, np. aparaty przyłóżkowe) są zasilane z sieci trójfazowej.

71 Napięcia w poszczególnych fazach przesunięte są względem siebie o 120. W sieciach trójfazowych obciążenie można łączyd w tzw. trójkąt lub gwiazdę. Połączenie w gwiazdę lub w trójkąt skutkuje w wartościach napięd międzyfazowych i prądów. Dla połączenia w gwiazdę napięcie międzyfazowe jest 3 razy większe od napięcia fazy przy takim samym prądzie. Dla połączenia w trójkąt wartośd napięcia fazy i międzyfazowego jest jednakowa a różne są prądy, przy czym prąd międzyfazowy jest 3 razy większy od prądu jednej fazy. Zestaw prostowników wraz z uzwojeniem wtórnym połączonym w gwiazdę pokazany jest na rysunku. Trójfazowy transformator z uzwojeniami wtórnymi połączonymi w gwiazdę, układ wykorzystuje 6 elementów półprzewodnikowych

72 Napięcie generowane w poszczególnych uzwojeniach wtórnych transformatora pokazane jest na rysunku. Uzwojenia wtórne a, b i c dostarczają napięd do lampy, w wyniku przełączenia za pomocą diod, (V na -V nb ), (V nb -V nc ) i (V nc -V na ). Napięcie do lampy dostarczane jest przez fazy, których różnica chwilowo jest największa. Dla ułatwienia analizy punktami od a do g oznaczono punkty przecięcia poszczególnych faz.

73 W okresie a-b spośród trzech różnic faz największą wartośd przyjmuje (V na -V nb ) zatem prąd wypływa przez diodę 3 i powraca przez diodę 5. W następnym okresie b-c njwiekszą wartośd przyjmuje napięcie (V na - V nc ) i jest to wartośd ujemna. W rezultacie prąd wypływa przez diodę 1, a powraca przez diodę 6. Wynikowe napiecie na lampie po wyprostowaniu, jest znacznie mniej pulsujace niż w przypadku napięcia jednofazowego.

74 Transformator trójfazowy, uzwojenia pierwotne połączone w trójkąt, uzwojenia wtórne w gwiazdę. Układ wykorzystuje 6 prostowników (diod). Układ w którym wykorzystuje się tylko jedno uzwojenie wtórne ma wadę razy na sekundę napięcia na wyjściu transformatora nie są symetryczne. Ogranicza to maksymalne wartości napięcia możliwe do otrzymania za pomocą takiego transformatora. Układ z dwoma uzwojeniami wtórnymi, uzwojenia wtórne są połączone w gwiazdę a uzwojenie pierwotne w trójkąt. Wady takiej nie ma transformator z dwoma uzwojeniami wtórnymi także połączonymi w gwiazdę i symetryzacją względem ziemi. Napięcie wyjściowe dla jednego okresu jest takie samo jak dla pierwszego układu.

75 Dalszą poprawę, czyli zmniejszenie tętnieo można uzyskad w wyniku połączenia uzwojeo wtórnych jednego w gwiazdę a drugiego w trójkąt. W rezultacie napięcie zasilające lampy zawiera 12 impulsów na okres. Różnica pomiędzy promieniowaniem generowanym przez układ jednofazowy i trójfazowy 12 połówkowy/okres jest ewidentna. W tym drugim przypadku okresy w którym wytwarzane promieniowanie jest zbyt miękkie nie występują. Systemy jednofazowe będą się charakteryzowad tym, że po filtracji, promieniowanie X generowane nie będzie w sposób ciągły jak ma to miejsce w systemach trójfazowych.

76 Różnica pomiędzy zasilaniem jednofazowym oraz trójfazowym z odpowiednim połączeniem dwóch uzwojeo wtórnych.

77 Rozwój elektroniki doprowadził do skonstruowania generatora rentgenowskiego z przetwarzaniem częstotliwości tak zwanego zasilacza wysokoczęstotliwościowego HF, (High Frequency) lub konwertorowego. Przetwornice charakteryzują się wyższą częstotliwością pracy przez co zmiany napięcia ulegną dalszemu zmniejszeniu. W zasilaczu takim napięcie zmienne o częstotliwości 50 Hz jest prostowane a następnie za pomocą przetwornicy zamieniane na zmienne lecz o znacznie wyższej częstotliwości. Wytworzone w ten sposób napięcie zmienne za pomocą transformatora transformowane jest do odpowiedniej wartości.

78 Obwód regulacji wysokiego napięcia składa się z układu prostownika z filtrem kondensatorowym (prostownik LF) oraz sterowanego mikroprocesorem generatora wysokiej częstotliwości (przetwornica). Obwód wysokiego napięcia (transformator + prostownik HF) jest analogiczny jak układ w zasilaczu dwupołówkowym, różnica polega na częstotliwości pracy, która jest znacznie wyższa. Obwód żarzenia włókna katody, podobnie jak cały aparat, jest to komputerowo (mikroprocesor) sterowany impulsowy zasilacz napięcia stałego. Obwód sterowania, zbudowany w oparciu mikroprocesory steruje procesem wytwarzania wysokiego napięcia, kontroluje wartośd prądu anodowego, prądu żarzenia, czasu ekspozycji, a także nadzoruje wirowanie anody, oraz ustawia filtry, itd. Odczytuje sygnał z detektorów promieniowania i odpowiednio reguluje parametry ekspozycji, sprawdza stan czujników antykolizyjnych, ciśnienia i temperatury oleju w lampie, obecności kaset i ich formatu, kalkuluje bilans cieplny i uniemożliwia termiczne przegrzanie lampy, itd.

79 Napięcie z sieci zasilającej (o częstotliwości 50 Hz) jest prostowane i filtrowane. Następnie przetworzone jest przez układy elektroniczne (tranzystorowe lub tyrystorowe, najczęściej pracujące w układzie z regulacją szerokości impulsu) na napięcie przemienne wysokiej częstotliwości (30 khz khz). Podwyższone w wysokoczęstotliwościowym transformatorze wysokiego napięcia i wyprostowane, zasila lampę rentgenowską. Podwyższenie częstotliwości kilka tysięcy razy skraca czas narastania impulsu wysokiego napięcia, praktycznie do wartości wyznaczonych przez tzw. stałe czasowe kabla wysokiego napięcia (jego pojemnośd, indukcyjnośd i rezystancję). Oznacza, to skrócenie czasu naświetlania przez promieniowanie miękkie z tytułu narastania impulsu również kilka tysięcy razy.

80 Ponadto tętnienia od wyższych częstotliwości są łatwiejsze do odfiltrowania, co poprawia parametry impulsu wysokiego napięcia. Dodatkowymi zaletami zasilaczy wysokoczęstotliwościowych jest ich duża podatnośd na sterowanie, małe gabaryty i ciężar oraz stosunkowo duża sprawnośd. Cechy te spowodowały, że ten rodzaj generatora wyparł z rynku generatory klasyczne i stał się obowiązującym standardem. Do tej pory omawiane generatory traktowane były jako oddzielne urządzenia zasilające lampę zamkniętą w osobnym kołpaku. Zestaw taki nazywamy kołpakowym. Rozwiązanie konstrukcyjne w których częśd lub cały generator zamknięty jest wraz z lampą w kołpaku nazywamy głowicowym.

81 Ogranicznik promieniowania (kolimator) Jest to urządzenie umieszczone bezpośrednio przed okienkiem kołpaka lub głowicy w celu nadania odpowiedniego dla danego zastosowania kształtu wiązki promieniowania. Ogranicznik stały Stosowany jest głównie w aparatach terapeutycznych w postaci ołowianej blachy z wyciętym dowolnego kształtu otworem, indywidualnie odlewanych z ołowiu osłon lub tubusów różnej średnicy i długości pozwalających ograniczyd pole, precyzyjnie ustawid kierunek padającej wiązki oraz utrzymad najmniejszą dopuszczalną odległośd pacjent-ognisko lampy. Ogranicznik nastawny Jest to ogranicznik umożliwiający regulacje kształtu wiązki promieniowania.

82 Ogranicznik głębinowy Jest to ogranicznik nastawny, w którym regulacja kształtu wiązki promieniowania odbywa się za pomocą układu co najmniej dwóch sprzężonych ograniczników nastawnych znajdujących się w różnych odległościach od ogniska. Ogranicznik głębinowy jest powszechnie stosowany w aparaturze diagnostycznej i terapeutycznej. Zbudowany jest z systemu regulowanych listew ołowianych, ograniczających pole wiązki promieniowania. Do wykonywania zdjęd (radiografii) stosowany jest ogranicznik wytwarzający wiązkę o przekroju prostokątnym. Najczęściej sprzężony jest ze stołem, i automatycznie ustawia prostokątne pole naświetlania o rozmiarach odpowiadających rozmiarom kasety. Posiada wbudowany symulator, oświetlający przez zwierciadło takie pole jakie będzie oświetlone przez promieniowanie w czasie ekspozycji, oraz linię świetlną symulującą promieo środkowy. Ogranicznik ograniczający pole wiązki w kształcie koła tzw. irysowy znalazł zastosowanie w urządzeniach współpracujących ze wzmacniaczami obrazowymi.

83 Filtr rentgenowski Pod tą nazwą rozumie się urządzenie do zmiany widma promieniowania rentgenowskiego przez zastosowanie ośrodka pochłaniającego. Wiązka promieniowania opuszczającego lampę zawiera promienie o różnych długościach fal (tzw. widmo) Promienie miękkie o dużej długości fal mają zbyt małą energię i zostają pochłonięte przez powierzchniowe warstwy powodując dodatkowe narażenie pacjenta. Jako szkodliwe nieprzydatne w diagnostyce oraz terapii, usuwa się je za pomocą filtracji. Filtr własny Jest to obudowa samej lampy, otaczający ją olej transformatorowy oraz okienko kołpaka. Wartośd liczbowa filtru własnego jest podawana w parametrach technicznych przez producenta jako tzw. równoważnik Al (grubości aluminium).w przypadku braku takich danych należy przyjąd wartośd współczynnika Al dla lamp do mammografii 0.5 mm, pozostałych 1 mm. Filtr dodatkowy Jest to filtr mocowany na zewnątrz kołpaka. W zależności od przeznaczenia nosi nazwę absorpcyjny, charakterystyczny lub kompensacyjny.

84 Filtr absorpcyjny Jest to metalowa płytka (absorber) włożona w poprzek wiązki w celu pochłonięcia promieniowania miękkiego. Materiał użyty na filtry zależy od przeznaczenia i napięcia pracy aparatu. W aparatach diagnostycznych (dla napięd kv) stosuje się aluminium, lub w niektórych zastosowaniach miedź. W aparatach terapeutycznych ( kv) wykorzystuje się miedź, cynę, aluminium, najczęściej w postaci tzw. filtrów kombinowanych zestawianych z kombinacji tych materiałów, w zależności od rodzaju i usytuowania zmiany chorobowej. Filtry zestawia się według zasady, czym większa liczba atomowa materiału filtru tym bliżej źródła promieniowania. Filtr charakterystyczny (selektywny) Filtr ten służy do wyeksponowania promieniowania charakterystycznego o długościach fal z zakresu nieciągłości współczynnika pochłaniania, silnie tłumiącego pozostałe długości. Materiał na filtr selektywny dobiera się tak, żeby nieciągłośd współczynnika pochłaniania była w pobliżu maksymalnej części widma ciągłego anody, (np. anoda wolframowa-filtr palladowy) lub pików promieniowania charakterystycznego anody, (anoda molibdenowa-filtr molibdenowy). Ten rodzaj filtru stosuje się wówczas gdy współczynnik pochłaniania tkanki zdrowej różni się nieznacznie od współczynnika pochłaniania tkanki chorobowo zmienionej np. w mammografii.

85 Filtr kompensacyjny Jest to tzw. wyrównujący, stanowi absorber włożony w poprzek wiązki w celu wytworzenia nierównomiernej wiązki promieniowania. Filtr kompensacyjny wyrównuje nadmierne pochłanianie jakiegoś fragmentu prześwietlanego organu, wynikające np. nierównomiernej grubości, w stosunku do otoczenia. Wykonywany jest jako statyczny w postaci odpowiednio ukształtowanej blachy, lub dynamiczny tzw. modulator przesłaniający tylko fragment wiązki na określony czas. Zmiany filtrów w zależności od konstrukcji aparatu wykonuje się ręcznie, przez wsuwanie i wysuwanie odpowiedniej płytki lub automatycznie, uruchamiając zmieniacz filtrów. Dla zestawów diagnostycznych całkowita filtracja, będąca sumą działania filtracji własnej i dodatkowej jest określona przez przepisy prawne i dla poszczególnych napięć wynosi: do 80 kv - 2 mm Al, od 81 kv do 100 kv - 3 mm Al, do 101 kv do 125 kv - 4 mm Al, powyżej 125 kv - 5 mm Al. Stosowanie filtracji jest skutecznym i najtańszym środkiem ochrony pacjenta przed promieniowaniem.

86 Układ sterowania ekspozycją Wykonanie zdjęcia, filmu lub badanie fluoroskopowe wymaga sterowania wieloma procesami zachodzącymi jednocześnie. Dodatkowo w procesie sterowania należy uwzględnid opcjonalne wielkości np. czułośd zestawu ekran/klisza, tuszę badanego, rodzaj wykonywanego badania itd. W konwencjonalnych zestawach rentgenowskich do regulacji parametrów ekspozycji służyła rozdzielnica rentgenowska i czasownik. Nazwą "Czasownik"- określa się urządzenie przeznaczone do włączania ekspozycji zdjęciowej na żądany czas ustalony przez uprzednie nastawienie długości trwania ekspozycji lub innej wielkości. Rozdzielnica rentgenowska to urządzenie zawierające całośd rentgenowskiej aparatury niskonapięciowej, autotransformatory, przekaźniki, styczniki, przełączniki wielopozycyjne, regulowane oporniki, itd.

87 We współczesnych urządzeniach rentgenowskich funkcje "rozdzielnic, sterownic, czasowników" przejęte zostały przez komputer. Operator ma dostęp do komputera za pomocą pulpitu sterowania (konsoli operatora) zwanego tradycyjnie stolikiem rozdzielczym, na którym ustawia się parametry ekspozycji. W nowych aparatach (praktycznie oprócz aparatów przyłóżkowych) sterowaniem zajmuje się jednostka zbudowana w oparciu o technologię mikroprocesorową. Do zadao układu kontroli i sterowania należy ustawianie, a następnie sprawdzanie zgodności mierzonych z ustawionymi wartościami parametrów. Do głównych parametrów wiązki zaliczamy:

88 W nowoczesnych aparatach wykorzystuje się technologię "touch screen" i technikę tzw. "rozwijanego menu". Na ekranie dotykowym pojawiają się opisane pola spośród których operator wybiera interesujące go opcje. Dzięki zastosowaniu techniki komputerowej opisy są wykonane w dowolnym języku, z użyciem dowolnego alfabetu. Pulpit oprogramowany jest w taki sposób, że obsługę podąża za propozycjami a zaistniałe "pomyłki" sygnalizowane są za pomocą sygnału dźwiękowego i wyświetlonego komunikatu. Przyciskiem "program" odkrywa się następne funkcje zmieniając jednocześnie rozmieszczenie i opis reprezentujących je przycisków. Ogółem zaprogramowanych jest około 80 programów z czego 10 użytkownik może sobie zaprogramowad na swoje potrzeby sam. Należy zauważyd, że aparat tego typu może robid wszystkie rodzaje zdjęd: bezpośrednie, pośrednie, seryjne, warstwowe, w systemie programowanym, automatycznym i ręcznym.

89 Sposób doboru parametrów ekspozycji w zależności od ilości parametrów ustawianych ręcznie nosi nazwę:

90 Automatyczne techniki sterowania stały się możliwe dzięki rozwojowi odpowiednich metod pomiarowych. Układ automatycznego sterowania ekspozycją zdjęciową tzw. AEC (Automatic Exposure Control) zawiera, dodatkowy w odniesieniu do konwencjonalnego aparatu, układ pomiaru promieniowania (komora jonizacyjna), który z kolei steruje generatorem rentgenowskim. Schemat blokowy układu automatycznej regulacji ekspozycji (AEC).

91 Parametry ekspozycji ze stolika rozdzielczego poprzez generator sterują wiązką promieni powstających w lampie rentgenowskiej. Promienie po przejściu przez pacjenta, kratkę, oraz detektor promieniowania (transparentny, niewidoczny dla promieni rentgenowskich, tzn. o minimalnym pochłanianiu) powodują proporcjonalnie do ich ilości, zaczernienie filmu i jednocześnie wygenerowanie sygnału proporcjonalnego do dawki. Sygnał ten jest porównywany z zadaną wartością (przez wybór odpowiedniego programu) i w momencie osiągnięciu zadanej wartości ekspozycja zostaje wyłączona.

92 Układ automatycznej regulacji jasności ABC (Automatic Britnes Control) służy do automatycznego dobierania parametrów prześwietlenia w taki sposób, aby na ekranie wzmacniacza obrazowego osiągnąd obraz o odpowiedniej jasności. Schemat układu przedstawiono na rysunku 22. Promienie przechodząc przez pacjenta wytwarzają na ekranie wzmacniacza obrazowego obraz o jasności rejestrowanej przez fotokomórkę, proporcjonalnej do natężenia promieniowania. Sygnał z fotokomórki jest porównywany z wartością zadaną przez układ automatycznej regulacji jasności, który jeśli obraz jest zbyt ciemny zwiększa parametry prześwietlenia zbyt jasny obniża. Schemat blokowy układu automatycznej kontroli jasności (ABC)

93 Układ automatycznego sterowania ekspozycją posiada zaprogramowane charakterystyki (tabele) korekcyjne uwzględniające czułośd filmu i folii wzmacniających, rodzaj kratki przeciwrozproszeniowej, parametry wybranych detektorów promieniowania oraz filtrów lampy, itd. Ponadto posiada programy określające sposób pracy z krzywymi regulacji, tzw. "technikę" dochodzenia automatu do wartości optymalnej parametrów ekspozycji. Na przykład tzw. "technika krótkiej ekspozycji próbnej" na podstawie której wyliczone zostają prawidłowe parametry ekspozycji, lub "opadającego obciążenia" w której ekspozycja rozpoczyna się z największym dopuszczalnym prądem po upływie np. 30% przewidywanego czasu, wartośd prądu spada o30%, itd., aż do osiągnięcia pożądanej wartości dawki. Dla potrzeb badao dynamicznych w trakcie których odbywa się filmowanie, stosuje się tzw. fluoroskopię pulsacyjną.

94 W celu zmniejszenia dawki promieniowania jaką otrzymuje pacjent i także obsługa oraz przedłużenia eksploatacji lampy, synchronicznie z przesuwem filmu generator wyłącza napięcie zasilania lampy. Ten prosty zabieg pozwolił na zwiększenie warunków naświetlani filmu gdy znajduje się on na właściwym miejscu. Ponadto, okazuje się, że można zauważyd więcej szczegółów na wyraźnym (migającym) obrazie powstającym z użyciem krótkiej ekspozycji ale o większym prądzie lampy, niż na obrazie "zaśnieżonym" ale bez efektu migotania, powstającym przy użyciu ekspozycji ciągłej przy mniejszym prądzie. W obu przypadkach sumaryczna dawka promieniowania pochłonięta przez pacjenta jest taka sama. Do dalszej redukcji promieniowania przyczynia się cyfrowych technik obróbki obrazów. Jeden ze sposobów polega na wykonaniu kilku obrazów w standardowych warunkach.

95 Wzmacniacz obrazu Wzmacniacze obrazu są używane w większości systemów fluoroskopowych. Zastąpiły one ekrany fluoroskopowe. Podstawową wadą ekranów fluoroskopowych była koniecznośd adaptacji wzroku radiologa w ciemności w celu rozróżnienia obiektów o małym kontraście. Inną niedogodnością były trudności wynikające z fotografowaniem obrazów przy jednoczesnym ich oglądaniu. Problem ten został rozwiązany w wyniku skonstruowania tzw. wzmacniaczy obrazu.

96 Promieniowanie opuszczające pacjenta trafia na ekran wejściowy zbudowany m.in. z warstwy luminoforu. W wyniku oddziaływania z luminoforem uwalniane są (scyntylacja) fotony światła, które z kolei bombardują fotokatodę. W rezultacie tego bombardowania emitowane są elektrony przyspieszane w polu elektrycznym wytworzonym przez zestaw elektrod ogniskujących. Elektrony bombardując tzw. ekran (luminofor) wyjściowy wywołują emisję światła. Wzmacniacz obrazu jest zatem pewnego rodzaju fotopowielaczem. Wyjście fotopowielacza jest optycznie sprzężone z kamerą telewizyjną. Obrazy mogą więc byd zapisywane na taśmie video. Jest to szczególnie użyteczne gdy analizowane są duże obszary o średniej rozdzielczości wysokim kontraście mają byd badane, jak to jest w przypadku badania przewodu pokarmowego. Wzmacniacze obrazu łączą funkcję detektorów promieniowania rentgenowskiego, wzmacniaczy optycznych w jednej szklanej obudowie.

97 Promieniowanie wchodzące do lampy wywołuje emisję światła przez warstwę fosforu wejściowego. Luminofor wejściowy znajduje się w bliskiej odległości od fotokatody. Światło emitowane przez warstwę luminoforu wywołuję emisję elektronów, które są przyspieszane w polu elektrycznym wytworzonym przez różnicę napięd 25kV. Pole jest tak ukształtowane, że elektrony uderzające w luminofor wyjściowy odtwarzają obraz, który jest mniejszy lecz znacznie jaśniejszy od tego wytworzonego na warstwie luminoforu wejściowego. Wartośd stosunku jasności obydwu obrazów jest określany jako wzmocnienie jasności lampy.

98 Wzmocnienie jasności jest związane z wzmocnieniem geometrycznym (stosunek powierzchni obrazu wejściowego i wyjściowego) i wzmocnienia elektronicznego (iloczyn wejściowej efektywności kwantowej, efektywności fotokatody, różnicy potencjału pomiędzy wejściowym i wyjściowym fosforem oraz efektywnością fosforu wyjściowego. Soczewki umieszczone na wyjściu wzmacniacza obrazu mają na celu kolimację i ogniskowanie obrazu utworzonego na warstwie fosforu wyjściowego w nieskooczoności. Soczewki użyte do kolimacji mają maksymalną moc zbierania światła w porównaniu do tych samych soczewek użytych pojedynczo do odtwarzania. Soczewki celu w każdej kamerze zbierają promieniowanie z soczewek kolimujących i ogniskują na płaszczyźnie filmu.

99 Zaletą systemu dwusoczewkowego oprócz jego szybkości jest fakt, że odległośd pomiędzy dwiema soczewkami nie ma wpływu na system ogniskujący i umożliwia użycia lustra rozdzielającego co umożliwia skierowanie światła do więcej niż jednego miejsca w tym samym czasie odpowiednio podzielonego. Dla przykładu w dwuportowym systemie fluoroskopowym całe światło może byd skierowane do kamery telewizyjnej podczas fluoroskopii. Podczas filmowania, indywidualne ramki filmu wymagają jaśniejszego obrazu niż kamera telewizyjna, zatem rozdzielacz światła jest ustawiony w takiej pozycji, że 90% światła trafia do kamery filmowej a 10% do kamery telewizyjnej umożliwiając obserwację radiologowi podczas nakręcania filmu.

100 Mammograf rentgenowski Mammograf jest dedykowanym aparatem rentgenowskim do badania piersi. W wyniku badania otrzymuje się mammogram. który jest obrazem otrzymanym w wyniku prześwietlenia piersi promieniami X ze źródła quasi-punktowego. Rozbieżny charakter wiązki promieniowania X powoduje, że struktury występujące w piersi w są w obrazie powiększone. Aparat jest wyposażony w mechanizm pozwalający na kompresję (ściskanie) badanej piersi.

101 Lampa rentgenowska i detektor obrazu są zamocowane po przeciwnych stronach badanej piersi. Zarówno detektor jak i lampa przymocowane są do wspólnej, ruchomej, ramy, która może się przemieszczad w pionie oraz obracad. Większośd systemów wykonana jest w taki sposób, że detektor obrazu umieszczony jest poniżej źródła promieniowania. System mammograficzny jest tak skonstruowany, że pionowy promieo rentgenowski przechodzi stycznie do klatki piersiowej i prostopadle do brzegu detektora obrazu

102 Promieniowanie opuszczające lampę przechodzi przez metalowy filtr kształtujący widmo wiązki, układ kształtujący wiązkę oraz płaszczyzny ściskające pierś. Po przejściu przez pierś promienie trafiają na siatkę (kratkę) przeciw rozproszeniową, a następnie do detektora obrazu. Częśd promieni przechodzi przez detektor i nie oddziałuje z nim i jest wykorzystana przez układ automatycznego ustawiania ekspozycji. Istotne jest aby w czasie badania wiązka przechodziła przez wszystkie struktury piersi Niewłaściwe uformowanie wiązki promieniowania X w wyniku czego nie cała pierś podlega badaniu, tworzy się "martwy" obszar.